舞台PLC控制系统设计毕业设计

毕业论文（设计）
舞台 PLC 控制系统设计

长沙航空职业技术学院毕业设计（论文）
扉页
舞台是为演员表演提供的空间，它可以使观众的注意力集中于演员的 表演并获得理想的观赏效果。舞台通常由一个或多个平台构成，它们 有的可以升降。剧场建筑的主要构成部分之一。指观众席前面的演出 场所。古代露天剧场的舞台主台大都前伸于观众席之中，或低于观众 席（如古希腊扇形剧场的舞台），或高于观众席（如中国的庙台）， 供观众从三面看戏。室内剧场的舞台通常正对观众席，有镜框舞台、 伸出型舞台、中心舞台等。

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目录
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1 绪论...........................................1 1.1 课题研究背景..............................1 1.2 本课设计的内容............................4 1.3 本课设计的目的意义........................5
2 系统控制方案的确定.............................6 2.1 自动舞台的概述............................6 2.2 采用 PLC 控制自动舞台的优点................6 2.3 系统设计的基本步骤........................6 2.4 系统控制方案..............................8 2.5 自动舞台控制系统及原因图..................9
3 系统文件设计...................................11 3.1 可编程控制(PLC)的选型.....................11 3.2 电动机选型................................16 3.3 硬件接线图................................18 3.4I/O 分配表.................................20
4 电器原理及系统流程设计.........................22 4.1 舞台控制程序的工作原理....................22 4.2 系统工作流程图............................24
5 设计总结.......................................25

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目录
致谢............................................26 参考文献........................................27 附录:梯形图.....................................28

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摘要
舞台 PLC 控制系统设计
摘要:针对剧院舞台的台面固定，造型、风格单一，舞美总体效果达
不到表演要求的现状，依据舞台建造时的总体工艺方案设计，通过
PLC 控制及机、电、液一体化技术使实现舞台的升降、移动升降、伸
缩、伸缩升降等运动，从而达到舞台与舞美、演员、场景、灯光等协
调变化功能，使精彩纷呈的演出更加丰富多彩、变幻无穷。可满足各
种演出节目的要求，故可免去许多原来须根据不同演出搭建不同舞台
的重复搭建演出舞台的弊端，并且还增加了演出的场景变化，丰富了
演出效果。
本文研究目标是研究、开发一套基于组态软件技术和 PLC 控制技术的
舞台控制系统。通过 plc 控制液压升降臂及交流电动机实现对舞台的
上升下降及三层帘幕的开启与关闭。通过 plc 控制舞台左右三层幕帘
的开启和舞台的上升和下降，当摁下开始按钮时蜂鸣器拉响五秒钟。
当报警停止后窗帘拉开指令被置为 on 而且台幕拉开到左右两端。在
台幕完全拉开后，舞台开始上升且上升到最高位置时自动停止。当摁
下停止按钮时舞台从最高点下降到最低点，然后台幕自动关闭。仅当
台幕关闭和舞台降到最低点是开始才能被置为 on。可手动控制台幕
的拉开程度和舞台的上升高度。根据台幕和舞台的动作，在操作面板
上的指示灯点亮或熄灭。实现对舞台的自动控制。
关键词：舞台控制
可编程控制器

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绪论
第1章 绪
论
1.1 课题研究背景 随着城市化进程的加快和人口大量聚集，使得生活节奏加快。如
今，舞台在人们周围随处可见；比如学校，大厦，剧场，小区等。舞 台是文化交流，娱乐大众，自我展现的重要场所；可以使人心身愉悦， 减轻压力。而自动舞台是科技发展的必然产物，形式上和技术上都要 优于传统舞台。
自动舞台运行的灵活性是评价舞台优劣的关键，而这与舞台的控 制系统息息相关。可以根据场所的需要，设计出各种各样的灯光，升 降台，旋转台等。给人创造更好的视觉享受。
1969 年美国数字设备公司（DEC）研制书上世界第一台可编程 控制器，并成功地应用在美国（GM）的生产线上。但当时只能进行 逻 辑 运 算 ， 故 称 为 可 编 程 逻 辑 控 制 期 ， 简 称 PLC （programmable logic controller）。
70 年代后期，随着微电子技术和计算机的迅猛发展，使 PLC 从 开关量的逻辑控制扩展到数字控制及生产过程控制域，真正成为一种 电 子 计 算 机 工 业 控 制 装 置 ， 故 称 为 可 编 程 控 制 器 ， 简 称 PC （ programmable controller ） . 但 由 于 PC 容 易 与 个 人 计 算 机 （programmable computer）相混淆，故人们仍习惯地用 PLC 作为可 编程器的缩写。
1985 年国际电工委员会（IEC）对 PLC 的定义如下：
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绪论
可编程控制器是一种进行数字运算的电子系统，是专为在工业环境下 的应用而设计的工业控制器，它采用了可以编程的存储器，用来在其 内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的 指令，并通过数字或模拟式的输入和输出，控制各种类型机械的生产 过程。
PLC 是继电器逻辑控制系统发展而来，所以它在数学处理、顺序 控制方面具有一定优势。继电器在控制系统中主要起两种作用：
（1）逻辑运算 （2）弱电控制强电。 可编程控制器，简称 PLC。它在集成电路、计算机技术的基础 上发展起来的一中新型工业控制设备。 具有： （1）可靠性高、抗干扰能力强 （2）设计、安装容易，维护工作量少 （3）功能强、通用性好 （4）开发周期短，成功率高 （5）体积小，重量轻、功耗底等特点。 具有功能强、可靠性高、配置灵活、使用方便以及体积小、重 量轻等优点，已经广泛应用于自动化控制的各个领域，并已成为实现 工业生产自动化的支柱产品。与继电——接触器系统相比系统更加可 靠；价格上能与继电——接触器控制系统竞争；易于在现场变更程序； 便于使用、维护、维修；能直接推动电磁阀、接触器与于之相当的执
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绪论
行机构；能向中央数据处理系统直接传输数据等。 因此，进行自动舞台 PLC 控制系统的设计，可以推动舞台的发
展，扩大 PLC 在自动控制领域的应用，具有一定的经济和理论研究 的价值。
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绪论
1.2 课题设计的内容
控制舞台打开或关闭台幕和升高或降低舞台（工作方式自动和手
动）。
左台幕限位开关为 SQ1(外)、SQ2（内），右台幕限位开关为 SQ3 （内）、SQ4(外)，舞台限位开关为 SQ5(下)、SQ6（上）。
1、自动控制 当关闭和舞台降到最低点时，按下开始开关 SB1, 蜂呜器(Y1)拉 响---5 秒后. 窗帘打开（Y0）----台幕会被拉开到左右端外极限(SQ1 和 SQ4 动作) 舞台上升(Y2)----- 舞台开始上升在舞台上限(SQ6 动 作)，舞台停止，进行节目演出----按下结束开关 SB2, 舞台开始下 降（Y3）----在舞台下限(SQ5 动作)， 窗帘关闭（Y1）-----台幕会 被关闭到内极限(SQ2 和 SQ3 动作)----原位停止。 2、手动控制 1)SB3 被按下时, 台幕拉开,当到达外极限(SQ1 和 SQ4 动作)时停 止打开。 2) SB4 被按下时, 台幕关闭，当到达内极限(SQ2 和 SQ3 动作)时 停止关闭。 3)SB5 被按下时,舞台开始上升。当舞台到达上升极限(SQ6)后停 止。 4)SB6 被按下时,舞台开始下降。当舞台到达下降极限(SQ5)后停 止。
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绪论
1.3 课题设计的目的和意义 随着我国经济的高速发展，微电子技术、计算机技术和自动控制
技术也得到了迅速发展。而随着我国城市化进程的加快和人口大量集 聚，使得社会竞争加剧，学习和工作的压力加大，生活节奏加快，精 神上压抑。而舞台是文化交流，娱乐大众，自我展现的重要场所；可 以使人心身愉悦，减轻压力。自动舞台是科技发展的必然产物，形式 上和技术上都要优于传统舞台，给人在视觉上有更好的冲击效果。
可编程序控制器（PLC）因为稳定可靠、结构简单、成本低廉、 简单易学、功能强大和使用方便已经成为应用面最广、最广泛的通用 工业控制装置，成为当代工业自动化的主要支柱之一。自动舞台控制 要求接入设备使用简便，对应于系统组态的编程简单，具有人性化的 人机界面，配备应用程序库，加快编程和调试速度。通过 PLC 对程 序设计，提高了舞台的控制水平，并改善了舞台的样式。
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系统硬件设计
第 2 章 系统控制方案的确定
2.1 自动舞台的概述 自动舞台是将灯光、美术、机械融为一体的新型舞台，是一种可
控的技术型舞台，是科技发展带来的舞台艺 术。
现代城市中的自动舞台形式已十分丰富，按功能的不同可以分 音乐舞台，聚光灯舞台，机械升降、旋转舞台，以及综合性舞台 等 2.2 采用 PLC 控制自动舞台的优点 （1）控制方式上看：PLC 软接线，只需改变控制程序就可轻易改变 逻辑或增加功能。 （2）工作方式上看：PLC 串行工作，不受制约。 （3）控制速度上看：PLC 通过半导体来控制，速度很快，无触点， 顾而无抖动一说。 （4）定时、记数看：PLC 时钟脉冲由晶振产生，精度高，定时范围 宽；有记数功能。 （5）可靠、维护看: PLC 无触点，寿命长，且有自我诊断功能， 对程序执行的监控功能，现场调试和维护方便 2.3 系统设计的基本步骤 在自动舞台控制系统的设计过程中主要考虑以下几点：
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系统控制方案的确定
（1）深入了解和分析自动舞台的工艺条件和控制要求。 （2）确定 I/O 设备。根据自动舞台控制系统的功能要求，确定系 统所需的输入、输出设备。常用的输入设备有按钮、位置开关等，常 用的输出设备有电机、灯光等。 （3）根据 I/O 点数选择合适的 PLC 类型。 （4）分配 I/O 点，分配 PLC 的输入输出点，编制出输入输出分配 表或者输入输出端子的接线图。 （5） 设计自动舞台的梯形图程序，根据工作要求设计出周密完整 的梯形图程序，这是整个自动舞台系统设计的核心工作。 （6） 将程序输入 PLC 进行软件测试，查找错误，使系统程序更 加完善
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2.4 系统控制方案 自动舞台示意图如图 2-1 所示：
系统控制方案的确定
图 2-1 自动舞台示意图
自动舞台系统的控制要求如下：
（1） 舞台帷幕两端和中间共有三个限位开关 SQ1、SQ2、SQ3， SQ4 舞台中间有圆形升降台，升降台上下两端有限位开关 SQ6、SQ5
（2） 该舞台有两种工作方式：第一种方式是自动运行状态，在
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系统控制方案的确定
自动状态下舞台自动运行；第二种方式是手动运行状态，在手动状态 下舞台可手动控制和检修。工作方式由自动/手动切换开关来控制。
（3） 系统上电默认自动运行状态，按下开幕按钮，帷幕打开； 当帷幕完全打开并碰 到帷幕左右两端的限位开关时停止打开；升降台上升，当升降台碰到 上限位开关后升降台停止上升。在舞台完全开启后，按下闭幕按钮， 升降台下降，当升降台碰到下限位开关后升降台停止下降；帷幕关闭， 当帷幕完全关闭并碰到帷幕中间限位开关后停止关闭。在自动运行状 态下，任意时刻按下停止按钮，系统完成当前动作后停止，再次按下 开幕按钮系统继续完成未执行的动作；按下自动/手动切换开关系统 将 切换到手动状态。
（4） 在手动运行状态下，可以对帷幕的打开和关闭，升降台的 上升和下降进行点动控制和检修，按下自动/手动切换开关系统将切 换到自动状态。 2.5 自动舞台控制系统的原理图
在自动舞台中，通过按钮开关信号来控制 PLC；再通过 PLC 控制电机。 自动舞台控制系统的原理图如图 2-2 所示：
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系统控制方案的确定
图 2-2 自动舞台控制系统的原理图
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第 3 章 系统硬件设计
系统硬件设计
3.1 可编程控制器(PLC)的选型
1. PLC 概述
PLC 是用于工业现场的电控制器。它源于继电器控制技术，但基 于电子计算机。它通过运行存储在其内存中的程序，把经输入电路的 物理过程得到的输入信息，变换为所要求的输出信息，进而再通过输 出电路的物理过程去实现对负载的控制。
PLC 基于电子计算机，但并不等同于普通计算机。普通计算机 进行入出信息变换时，大多只考虑信息本身，信息入出的物理过程一 般不考虑的。而 PLC 则要考虑信息入出的可靠性、实时性，以及 信息的实际使用。特别要考虑怎么适应于工业环境，如便于安装，便 于维修及抗干扰等问题,入出信息变换及可靠的物理实现，可以说 是 PLC 实现控制的两个基本要点。PLC 可以通过它的外设或通信 接口与外界交换信息。其功能要比继电控制装置多的多、强的多。
PLC 有丰富的指令系统，有各种各样的 I/O 接口、通信接口， 有大容量的内存，有可靠的自身监控系统，因而具有以下基本的功 能
（1）逻辑处理功能； （2）数据运算功能； （3）准确定时功能； （4）高速计数功能；
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系统控制方案的确定
（5）中断处理（可以实现各种内外中断）功能； （6）程序与数据存储功能； （7）联网通信功能； （8）自检测、自诊断功能。
可以说，凡普通小型计算机能实现的功能，PLC 几乎也都可以 做到。
像 PLC 这样。有很丰富的功能，是别的电控器所没有的，更 是传统的继电控制电路所无法比拟的。丰富的功能为 PLC 的广泛 应用提供了可能，同时，也为自动门行业的远程化、信息化及智能化 创造了条件
2.PLC 工作原理
（1）PLC 采用“顺序扫描，不断循环”的工作方式 （2）每次扫描过程。集中对输入信号进行采样。集中对输出信 号进行刷新。 （3）输入刷新过程。当输入端口关闭时，程序在进行执行阶段 时，输入端有新状态，新状态不能被读入。只有程序进行下一次扫描 时，新状态才被读入。 （4）一个扫描周期分为输入采样，程序执行，输出刷新。 （5）元件映象寄存器的内容是随着程序的执行变化而变化的。 （6）扫描周期的长短由三条决定:CPU 执行指令的速度、指令本 身占有的时间、指令条数
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系统控制方案的确定
（7）由于采用集中采样。集中输出的方式。存在输入/输出滞后 的现象，即输入/输出响应延迟
3. PLC 选型
在 PLC 系统设计时，首先应确定控制方案，下一步工作就 是 PLC 工程设计选型。工艺流程的特点和应用要求是设计选型的 主要依据。因此，工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特 点、控制要求，控制任务和范围确定所需的操作和动作，然后根据控 制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确 定 - 7 - PLC 的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能 价格比的 PLC 和设计相应的控制系统。
（1）输入输出（I/O）点数的估算 I/O 点数估算时应考虑适 当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加 10%～20%的可扩 展。余量后，作为输入输出点数估算数据。
（2）存储器容量的估算 存储器容量是可编程序控制器本身能 提供的硬件存储单元大小，程序容量是存储器中用户应用项目使用的 存储单元的大小，因此程序容量小于存储器容量。设计阶段，由于用 户应用程序还未编制，因此，程序容量在设计阶段是未知的，需在程 序调试之后才知道。为了设计选型时能对程序容量有一定估算，通常 采用存储器容量的估算来替代。
存储器内存容量的估算没有固定的公式，许多文献资料中给出了 不同公式，大体上都是按数字量 I/O 点数的 10～15 倍，加上
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系统控制方案的确定
模拟 I/O 点数的 100 倍，以此数为内存的总字数（16 位为一 个字），另外再按此数的 25%考虑余量。因此本课题的 PLC 内存容 量选择应能存储 2000 条梯形图，这样才能在以后的改造过程中有 足够的空间。
（3）控制功能的选择 该选择包括运算功能、控制功能、通信功 能、编程功能、诊断功能和处理速度等特性的选择。 根据本课题所 设计控制的需要，主要介绍以下几种功能的选择。
控制功能 PLC 主要用于顺序逻辑控制，因此，大多数场合常采用单回路 或多回路控制器解决模拟量的控制，有时也采用专用的智能输入输出 单元完成所需的控制功能，提高 PLC 的处理速度和节省存储器容 量。 编程功能 离线编程方式：PLC 和编程器公用一个 CPU，编程器在编程模 式时，CPU 只为编程器提供服务，不对现场设备进行控制。完成编 程后，编程器切换到运行模式，CPU 对现场设备进行控制，不能进 行编程。离线编程方式可降低系统成本，但使用和调试不方便。在线 编程方式：CPU 和编程器有各自的 CPU，主机 CPU 负责现场控 制，并在一个扫描周期内与编程器进行数据交换，编程器把在线编制 的程序或数据发送到主机，下一扫描周期，主机就根据新收到的程序 运行。这种方式成本较高，但系统调试和操作方便，在大中型 PLC 中 常采用。
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系统控制方案的确定
五种标准化编程语言：顺序功能图（SFC）、梯形图（LD）、功 能模块图（FBD）三种图形化语言和语句表（IL）、结构文本（ST） 两种文本语言。选用的编程语 - 8 - 言应遵守其标准 （IEC6113123），同时，还应支持多种语言编程形式，如 C，Basic 等， 以满足特殊控制场合的控制要求。
诊断功能 PLC 的诊断功能包括硬件和软件的诊断。硬件诊断通过硬件的逻辑判 断确定硬件的故障位置，软件诊断分内诊断和外诊断。通过软件 对 PLC 内部的性能和功能进行诊断是内诊断，通过软件对 PLC 的 CPU 与外部输入输出等部件信息交换功能进行诊断是外诊断。
PLC 的诊断功能的强弱，直接影响对操作和维护人员技术能力 的要求，并影响平均维修时间。
（4） 机型的选择
通过对输入/输出点的选择、对存储容量的选择、对 I/O 响应 时间的选择以及输出负载的特点选型的分许。
S7-200 CPU 支持 6 路高速数字量输入（CPU224/226）和两路高 速数字量输出（用于 PTO/PWM）。 新产品 CPU224 XP 高速输入中的两路支持更加高的速度。用作单相脉 冲输入时，可以达到 200KHz；用作双相 90°正交脉冲输入时，速度 可达 100KHz。 CPU224 XP 的两路高速数字量输出速率可以达到 100KHz。
其实物图如图 3-1 示。
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